北京地区新5孔晚新生代沉积物中的地球化学特征及古环境意义

栾英波，郭 莉，郭高轩

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2.北京市地质调查研究院，北京102206；3.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京地区新5孔晚新生代沉积物中的地球化学特征及古环境意义

栾英波1，郭 莉2，郭高轩3

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2.北京市地质调查研究院，北京102206；3.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

通过对新5钻孔晚新生代地层中的主要氧化物、微量元素和主要元素比值的变化特点进行研究分析。表明该地区自新近纪以来该地区气候总体趋势是由温暖湿润向温和干旱气候方向发展。其中经历了3个较大的氧化阶段。本文综合分析磁化率、古地磁和孢粉等资料。分析了主要氧化物、微量元素在不同地层中的分布特征。从地球化学角度把新5钻孔的沉积环境分为6个变化波动区间。揭示该地区晚新生代以来的气候经历了温暖湿润-温和湿润—温和偏干—温暖湿润—温凉湿润—温和偏干的气候波动。

晚新生代；地球化学特征；古气候波动；北京地区

2004年国土资源部与北京市政府合作开展了城市地质调查。为进一步研究北京平原区新生界地层层序、古地理演化和构造演化特征。北京市地勘局等单位实施了新5钻孔，对晚新生代沉积中物的地球化学特征进行了专题研究，从元素地球化学的角度探讨了北京地区古气候和古环境的变迁。

1 北京区域地质背景及地质剖面

（1）区域地质背景

北京位于华北平原西北角，其北部、东北部、西部为群山环绕、东南为山前平原，由永定河、潮白河、温榆河等河流冲洪积扇构成。新5孔布置在顺义凹陷四级构造单元内（见图1），其北部和南部边界分别由顺义断裂和南口-孙河断裂控制，在地貌上属于永定河晚更新世冲洪积台地。

图1 新5孔及重要钻孔地理位置示意图

（2）新5孔地质剖面

根据古地磁测年、地层和孢粉资料[1]。该孔的沉积物从下至上可分为上新统、下更新统、中更新统、上更新统和全新统地层。

上新统：孔深248.3～322m，主要以黄棕色粉质粘土、砂质粘土、粉砂、细砂、中砂和含砾粗砂组成。粘类土中含有僵石，砂层具有水平层理，分选性差，呈次棱角或圆状，以正极性带为主，对应高斯正极性时。其地质时代为2.58～3.22Ma左右。

下更新统：孔深97.4～248.3m，主要为黄棕色、浊棕色和灰棕色粉砂质粘土、粉质粘土、粉砂、细砂、中砂和粗砂组成。96.59～246.79m以反极性带为主，对应松山反极性时。其地质时代为0.78～2.58Ma。

中更新统：孔深17.23～97.4m，主要为黄棕色、浊黄棕色中砂、砂砾石、粗砂、粉砂质粘土组成，大致可以分为4个旋回。钻孔岩芯剖面0～96.59m以正极性带为主，总体对应国际地磁极性年表的布容正极性时，其地质时代为0.128～0.78Ma。

上更新统：孔深1～17.23m，为黄棕色粉砂质粘土、粉质粘土，细胞状结构，粒径粗细不一。古地磁测试结果表明深度15.85m处大约对应地质年代0.128Ma。

全新统：孔深0～1m，主要为浊黄棕色回填土。其成分为粉砂质粘土类及建筑垃圾(大小不一的碎砖块。混凝土块)和碎石等组成。顶部植物根系发育，底部见有少量的黑色煤渣。

2 新5孔晚新生代地球化学特征分析

新5孔不同地层松散沉积物中SiO2、Fe2O3、MgO、NaO等主要氧化物和Rb、Cr、V、Se等微量元素含量差异较大，反映不同地质时期不同沉积地层中地球化学元素的分布差异。新5钻孔主要氧化物地球化学成分与微量元素含量分布表现出一定的规律性，并具有较好的相似性（见图2）。SiO2从上往下表现为低 高低的特征，Fe2O3表现特征与SiO2恰好相反，Al2O3从上到下表现为低 高的特征，MgO与NaO整体从上到下表现为由高 低。但在100～120m之间MgO出现了较低的异常，NaO出现了较高的异常值。SiO2/( Al2O3+ Fe2O3)与Fe2O3/ FeO比值不仅具有较好变化周期，而且均与Fe2O3相关，Fe2O3/ FeO在300～320m出现了较高的异常值。

从表1中可以看出Q3、Q2、Q1、 N主要氧化物（SiO2＋Al2O3＋ Fe2O3＋FeO ＋CaO＋ MgO ＋ K2O＋ Na2O）百分含量为88.86%、89.72%、91.03%、89.75%，它们在不同时代主要氧化物含量变化十分接近，反映出沉积环境十分相似，主要物质来源相同。Fe2O3与FeO百分含量成负相关性，在上新世时Fe2O3百分含量达到5.80%,FeO百分含量达到0.38%,反映出新5钻孔氧化环境逐步在加强。CaO、Na2O平均百分含量从上新世逐渐升高，反映出当时的气候条件逐渐向干旱气候条件发展。北京新5孔剖面中晚更新世除SiO2以外，Al2O3、 Fe2O3、FeO 、CaO、MgO 、K2O、Na2O平均百分含量介于陕西洛川黄土和安徽宣城风成堆积之间，反映出北京地区气候条件介于两者之间,气候、风化条件较陕西洛川较高。

图2 北京地区新5钻孔常量、微量元素特征曲线图

表1 北京新5钻孔化学元素平均含量与洛川黄土[1]、安徽宣城风尘堆积[2]对比 （%）

3 地球化学元素与古环境意义研究

研究表明,不同气候条件下存在着一定的与之相适应的沉积物,这些沉积物与它所处环境之间的适应或者平衡关系是通过沉积物及元素重新组合、产生新矿物来实现的。因而,他们不但具有原岩的组成特征,而且记录着它们形成时的气候环境[3]。陈骏〔4〕等人对陕西洛川黄土剖面的Rb/Sr值及其气候进行了研究,研究表明Rb/Sr值可以作为东亚夏季风环流强度变化较为敏感的替代指标。元素Na、K、Mg等化学活动性强,且Na的化学活动性较K强,Ni、Cu、Cr等化学活动性较Fe和Al强[5]。在温暖潮湿的气候条件下,水介质为酸性,沉积物中易溶元素溶解迁移,而Al2O3相对富集,在干旱条件下相对含量则降低。干冷气候条件下的黄土较形成于温暖湿润条件下的黄土中的CaO3含量较高[6]，CaO含量越高指示气候环境越干冷[7]等为本次研究分析晚新生代古地理环境提供了科学依据。

322～248.3m：上新世沉积物，上部为棕色粉砂质粘土、黄棕色粗砂、细砂及粘土互层沉积物，最下部为灰黄棕色、棕色、红棕色、杂色，分选性差泥砾岩，卵石磨圆较好，大部分呈半风化至全风化状，轮廓清晰，手触成泥，卵石表面有黄色膜及氧化铁染。该段各元素含量和比值明显增加，尤其是Al2O3和Fe2O3含量、Fe2O3/ FeO比值达到全孔的最高值。SiO2/( Al2O3＋Fe2O3)比值、Na2O含量也达到了最低。从各元素和比值情况，反映出当时地层遭受化学作用较强，具有较强氧化环境，气候较为温暖湿润的环境特征。

248.3～190m：早更新世沉积物，总体上SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO 、 MgO、 Na2O、Ba、Cl、F、Co、Ra、Sr、V各元素含量波动范围较大。有明显的富集和散失现象，而Ba本段平均含量为1095 10-6mg/kg远高出钻孔平均含量749 10-6mg/Kg，Na2O含量较高，SiO2/( Al2O3＋ Fe2O3)比值以高值为特征， Rb/Sr本段比值为0.41高于平均值0.37，Fe2O3/ FeO比值较低。暗示着当时为还原环境，当时气候温和湿润。

190～132m：早更新世沉积物主要以粉质粘土为主，总体上Ba、Co、Rb、Sr、V、Sc、Ga各元素含量变化较大, 有明显富集现象。Ba含量较低，含量为549.5 10-6mg/kg远低于钻孔平均含量749 10-6mg/kg，SiO2/( Al2O3＋ Fe2O3)比值较低，Fe2O3/ FeO比值较高，综合微量元素和常量元素分析，可以看出当时主要环境为气候条件为温和偏干的氧化环境。

132～76m：早更新世沉积物，主要以砂质粘土为主。总体上各元素含量波动较大, 各元素有明显富集和散失现象。MgO和 Na2O 在115m左右出现异常值。Rb/Sr、Fe2O3/ FeO比值较高。表明当时该地区尽管气候有波动较大，总趋势气候温暖湿润，呈现出较强的氧化环境。

76～45m：中更新世沉积物，总体上Ba、、Rb、Sr、V、Fe2O3/ FeO各元素含量波动范围较大，各元素明显的富集和散失现象。 Rb/Sr比值较上一阶段有所增加，SiO2/( Al2O3＋ Fe2O3)比值与Fe2O3/ FeO比值均较低。V元素平均含量在本段较高100.1 10-6mg/kg。反应该地区生物化学作用与风化作用明显,气候温凉湿润的环境。

0～45m:总体上各元素含量均降低的趋势, 大部分元素没有明显富集现象，暗示着物源区地表温度较低，雨量较少，整体上地球化学风化、生物作用较弱，各元素难以以溶解离子迁移富集。气候主要以温和偏干的环境。1-3m以上主要为回填土，元素含量和比值变化较大。尤其是Sr、Ba、F、Cl等元素异常较高。反映出由于受人类活动影响，沉积环境的变化剧烈。

4 结论

(1)从新5孔中主要元素氧化物平均含量变化来看，反映出上新世以来本地区气候环境从温暖湿润逐渐向温和偏干发展。对微量元素和主要氧化物分析研究，可以作为本地区气候环境、地层划分的辅助依据。

(2)北京市平原区新5钻孔剖面松散沉积物中微量元素以及主要氧化物的分布与变化，与第四纪以来沉积环境和古气候变化密切相关，通过对各元素含量变化及比值可将晚新生代古气候划分为温暖湿润 温和湿润 温和偏干 温暖湿润 温凉湿润 温和偏干的6个气候波动带。

(3)从Fe2O3/ FeO比值上来看，上新世以来北京地区古地理氧化过程经历3个较强的氧化阶段。

[1]文启忠等.中国黄土地球化学.北京：科学出版社1989.

[2]李徐生，杨达源，鹿化煜.皖南风尘堆积序列氧化物地球化学特征与古气候记录.海洋地质与第四纪地质1999.11.19（4）75～81.

[3]张虎才，李吉均，马玉贞等.腾格里沙漠南缘武威黄土沉积元素地球化学特征.沉积学报.15（4）152～158.

[4]陈 骏，汪永进，季峻峰等.陕西洛川黄土剖面的Rb/Sr值及其气候地层学意义.第四纪地质.1997.12（4）350～356.

[5]刘英俊，曹励明.元素地球化学.北京：科学出版社.1984.

[6]刘丛强，张劲等.黄土碳酸盐、锶同位素及其古气候记录.科学通报 1999.44：1088～1092.

[7]刘东生等.黄土与环境.北京：科学出版社,1985.

The Geochemistry Characteristics and the Paleo-environmental Significance on the Late Cenozoic Sediments in the Beijing Xin-5 Borehole

LUAN Yingbo1, GUO Li2, GUO Gaoxuan3

(1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Beijing Geological Survey, Beijing 102206; Hydrogeology and Engineering Geological Team of Beijing, Beijing 100195)

In this paper, the characteristics of the main oxidants, trace elements and rate of main elements in the Late Cenozoic in the Xin-5 borehole are analyzed. It s concluded that the overall climate changed from warm and humid to temperate and dry in the target area since Neocene, and three dominant oxidization phrases were experienced. Also the distribution of the main oxidants, trace elements and rate of elements among different strata are studied, combining with the magnetic susceptibility, paleomagnetism and sporopollenin. Based on the geochemical properties, the sedimentary environments of the Xin-5 borehole can be divided into six successive environmental zones to refect the paleo-climatic fuctuations since Cenozoic, such as warm and moist, temperate and subhumid, cool and moist, temperate and dry, warm and moist, temperate and dry, temperate and moist, temperate and dry, temperate and dry.

Late Cenozoic；Geochemistry Characteristics；Paleo-environment；Beijing

P594

A

1007-1903(2011)01-0022-04